Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. ГЕНЕРАЦИЯ НА КОЛЕШМЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДАХ ПРИ РЕЗОНАНСНОМ ОПТИЧЕСКОМ
ВОЗБУЖДЕНИИ МОЛЕКУЛ 14
I.I. Общие принципы работы и существующие типы молекулярных газовых лазеров с оптической
накачкой 15
1.2. J/H3 -лазер среднего ИК диапазона 26
1.3. Расчет усиления и энергии генерации в лазерах
на аммиаке и фосфине 33
ГЛАВА 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ С ИЗЛУЧЕНИЕМ В УСЛО
ВИЯХ ДВОЙНОГО ОПТИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА 52
2.1. Трехуровневая система в поле двух волн моно
хроматического светового излучения 53
2.2. Спектрально-оптические характеристики трех
уровневых систем с отличным от нуля угловым
моментом 63
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ НА ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВЫХ
ЛАЗЕРОВ С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ 86
3.1. "Трехуровневая" схема генерации в МН$-лазере. 89
3.2. Самосвипирование и затягивание частоты гене
рации в импульсном молекулярном лазере с
оптической накачкой 114
ГЛАВА 4. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С КОМБИНИРО
ВАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 132
4.1. Генерация излучения с Я-4,3 мкм в GOg-
лазерах с комбинированной накачкой 134
4.2. Генерация на линиях полосы 020-01 0 в
электроразрядном (^-лазере 156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176
ЛИТЕРАТУРА 182
Введение к работе
Одной из наиболее актуальных задач квантовой электроники является создание мощных и эффективных источников когерентного излучения на новых длинах волн в средней инфракрасной области спектра (2 - 30 мкм). Необходимость решения этой задачи диктуется, прежде всего, практической значимостью областей применения лазеров среднего Ж диапазона: ИК-лазерохимии, лазерного разделения изотопов, дистанционного зондирования атмосферы, лазерной спектроскопии и ряда других /I - 5/.
Наиболее мощные традиционные источники когерентного излучения в среднем Ж диапазоне (электроразрядные, газодинамические и химические лазеры) излучают на отдельных колебательно-вращательных линиях молекул СО2 (длина волны % от 9 до II мкм), хА^ О (10,4 - II мкм), СО (5,1 - 6,6 mkm),HF (2,7 - 3,2 мкм) и некоторых других /6/. Частоты этих линий далеко не всегда подходят для решения тех или иных научных и практических задач. Проблему непрерывного заполнения спектральной области 2-30 мкм не решает полностью и создание плавно перестраиваемых полупроводниковых лазеров /7/, а также газовых лазеров высокого давления /8/. Полупроводниковые лазеры имеют малую мощность выходного излучения. Сфера их применения ограничена, главным образом, спектроскопическими исследованиями. Перестройка частоты генерации в молекулярных лазерах высокого давления осуществляется за счет перекрытия линий в сравнительно узкой области вблизи центра колебательной полосы.
В связи с этим, привлекательной выглядит возможность преобразования частоты излучения мощных молекулярных лазеров на новые участки Ж диапазона при условии высокой эффективности данного процесса. Подобное преобразование осуществляется в различных средах и может носить как резонансный, так и нерезонансный характер.
Каждый из существующих методов преобразования частоты излучения обладает определенными достоинствами и недостатками. Поэтому прогресс в данной области достигается развитием совокупности дополняющих друг друга методов.
Нерезонансное преобразование частоты лазерного излучения осуществляется при параметрической генерации, умножении или смешении частот и т.п. Один из наиболее перспективных методов нерезонансного преобразования частоты основан на вынужденном комбинационном рассеянии излучения. Существенные успехи в данном направлении достигнуты при комбинационном рассеянии лазерного излучения на вращательных и колебательных уровнях сжатого водорода, а также на колебательных уровнях жидкого азота /4,9/ . Однако, применительно к среднему ИК диапазону, этот метод имеет ряд недостатков. Одним из основных является падение сечения комбинационного рассеяния и оптической прочности среды с ростом длины волны. В силу этого, для получения высокой эффективности преобразования и мощности выходного излучения, требуется создание крупномасштабных многопроходных установок, широкое использование которых затруднено.
Резонансное преобразование частоты излучения ИК лазеров достигается за счет его использования для возбуждения колебательных состояний молекул, формирования усиления и получения генерации на колебательно-вращательных или чисто вращательных переходах. Следует заметить, что идея такого преобразования относится к самому раннему этапу развития квантовой электроники /10/. Однако, на практике генерация на вращательных переходах молекул (дальний Ж диапазон) была получена подобным методом лишь в 1970 г. /II/, а на колебательно-вращательных (средний Ж диапазон) - в 1972 г. /12/. Молекулярные лазеры с оптической накачкой, излучающие на колебательно-вращательных переходах, именуются далее сокращенно
- б -
как МОН.
Б качестве преобразователей излучения мощных Ж лазеров, например электроразрядных С02 - лазеров, некоторые из МЯОН обладают важными достоинствами. Для них возможно достижение высокого КПД преобразования излучения накачки, высокого усиления, мощности и энергии генерации. Пороговая интенсивность возбуждения МОН во многих случаях очень низка. Возможна перестройка излучения МІ0Н по большому числу колебательно-вращательных линий рабочей полосы, а для некоторых систем и плавное изменение частоты генерации за счет перекрытия линий при высоком давлении активной среды. Конструктивное исполнение МОН, как правило, является достаточно простым. Немаловажно и то, что оптический способ возбуждения молекул обеспечивает химическую и изотопическую неизменность состава активной среды и позволяет с успехом использовать в МЛОН редкие и дорогие изотопозамещенные молекулы.
Таким образом, резонансное оптическое возбуждение молекулярных газов является одним из перспективных путей преобразования частоты лазерного излучения в среднем Ж диапазоне. Разработка МОН и исследования, направленные на улучшение их выходных характеристик, представляют несомненный научный и практический интерес.
Остановимся кратко на некоторых результатах, достигнутых в области физики МОН, к моменту постановки задач, решаемых в диссертационной работе (1978 г.).
В течение сравнительно короткого промежутка времени, с 1972 по 1978 г., были предложены /13/ и осуществлены различные схемы генерации в МОН на С02 /12/, CF^,JJ0Ct /14/, чЛ/Н3 /15/ и некоторых других молекулярных газах /16 - 18/. Наибольшее количество экспериментов относилось к ч//Нз ~ МОН. Для него были получены высокие значения энергии в импульсе (0,35 Дж ) /19/ и пиковой
мощности излучения (0,5 - 0,8 МВт) /19, 20/, обнаружено возрастание энергии генерации при добавлении к аммиаку буферных газов /21/ и при охлаждении активной среды /22, 23/, Достижение высоких выходных параметров излучения для ряда линий -//#з- МЛОН делало необходимым исследование возможности получения мощной генерации на других колебательно-вращательных переходах Л/A/j, а также в других аналогичных аммиаку молекулах группы симметрии Сы при их оптическом возбуждении. Теоретическое рассмотрение этих вопросов в литературе отсутствовало.
Наиболее детальное теоретическое исследование МЛ0Н было проведено к этому времени для случая генерации в разностной колебательной полосе /24 - 26/ ( С02- МЛОН). Возможность получения генерации на горячих полосах молекул при их накачке в составной полосе была рассмотрена в работе /27/, а конкретная схема подобного рода, лазер на 0CS, - в /28/. Для случая накачки и генерации в основной полосе, который имеет место, в частности, в JV/-I3 -МЛОН, был выполнен лишь общий анализ условий, необходимых для достижения инверсии населенностей на различных линиях /29/.
Указанные теоретические работы (/24 - 29/) основывались на использовании уравнений балансного типа для населенностей состояний, либо на простейших предположениях относительно заселенностеи лазерных уровней. В то же время, результаты теоретических оценок, выполненных для С02 - МЛОН /30/, свидетельствовали о том, что существенную роль в рассматриваемых системах могут играть нелинейные явления, обусловленные совместным действием на молекулы активной среды полей накачки и генерации, связанных через общий вращательный подуровень. К этим явлениям относятся вынужденные
В общем случае, такую ситуацию называют двойным оптическим резонансом.
двухфотонные переходы, при которых происходит поглощение фотона накачки и одновременное испускание фотона генерации, а также расщепление уровней энергии в мощном световом поле /ЗІ/. Б дальнейшем, говоря о нелинейных эффектах в МОИ, мы везде будем иметь в виду именно подобные явления. О важном значении нелинейных эффектов свидетельствовали результаты некоторых экспериментов с чЛ/Нз~ ШОН /32, 33/. Кроме того, ряд опытных зависимостей, обнаруженных для МЛОН, не мог быть описан в рамках балансных уравнений для на-селенностей уровней. Некоторые экспериментальные данные носили, на первый взгляд, противоречивый характер (например, результаты экспериментов по охлаждению активной среды МЛОН /34/ и /35/).
Для правильного объяснения накопленного экспериментального материала и дальнейшего целенаправленного совершенствования параметров МЛОН необходимо было детальное теоретическое исследование процесса взаимодействия активной среды с одновременно присутствующими в резонаторе световыми полями накачки и генерации, с учетом возникающих при этом нелинейных явлений. Требовалось также проведение расчета ряда конкретных характеристик МЛОН.
Исследование такого рода должно базироваться на применении аппарата квантовомеханической матрицы плотности. Однако, его использование для МЛОН сильно осложняется из-за вырождения энергетических уровней молекул по направлениям углового момента. Чтобы избежать этого усложнения, при теоретическом исследовании двойного оптического резонанса в трехуровневой системе вырождением обычно пренебрегают, хотя правомерность подобного приближения в общем случае не рассматривалась. Поэтому несомненный интерес представляла задача определения границ применимости модели невырожденных уровней при двойном оптическом резонансе и исследования особенностей спектрально-оптических характеристик МЛОН, обусловленных снятием вырождения колебательно-вращательных уровней в мощных све-
товых ПОЛЯХ.
Решение подобных задач имело вашгое значение и применительно к лазерным системам с комбинированным способом возбуждения, в которых резонансная оптическая накачка активной среды сочетается с электрическим разрядом. Применение данного метода возбуждения весьма привлекательно с точки зрения расширения области частот генерации широкораспространенных электроразрядных СОо -систем. Работы в этом направлении проводились с 1976 г. /36 - 41/. Однако, теоретическое исследование COg- лазеров с комбинированной накачкой выполнялось без учета нелинейных эффектов, возможных в МЛОН. Кроме того, оно затруднялось отсутствием надежных данных по скоростям релаксационных процессов в системе нижних колебательных уровней молекулы (.
В соответствии с изложенным выше в диссертационной работе были поставлены следующие задачи.
Теоретическое исследование закономерностей формирования усиления на колебательно-вращательных линиях при оптической накачке аммиака и других молекул группы симметрии Сз^.
Расчет и анализ зависимости выходных характеристик импульсного vA/Нз- МЛОН от параметров активной среды, излучения накачки
и резонатора; поиск путей оптимизации параметров МОИ.
Теоретическое исследование влияния вырождения энергетических уровней молекул на их спектрально-оптические характеристики в условиях двойного оптического резонанса, реализующегося в частном случае в МОИ.
Анализ влияния на выходные характеристики МЛОН нелинейных эффектов, обусловленных совместным действием на молекулы полей накачки и генерации.
Расчет предельных энергетических характеристик генерации
на длине волны ~ 4,3 мкм и ~ 16 мкм в С02 - лазерах с комбини-
рованной накачкой. Определение условий, необходимых для их реализации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Первые два параграфа главы I носят обзорный характер. В них рассмотрены различные схемы резонансной оптической накачки и генерации в МЛОН, а также описаны некоторые наиболее важные экспериментальные результаты, полученные для МОИ. Более подробно изложены экспериментальные данные по чА/Нз - лазеру, поскольку он является самым мощным и эффективным среди МОИ и большинство конкретных расчетов в диссертации выполнено именно для этой системы. В третьем параграфе рассчитаны максимально возможные значения коэффициента усиления в j/H3 - МЛОН на колебательно-вращательных линиях Р-, Q,- и R- ветви полосы 0-^2 Проанализировано влияние температуры газа на усиление и энергосъём в системе. Показана возможность получения генерации по аналогичной схеме в полосе 0-^2 молекулы РНо .
В первом параграфе второй главы изложены общие закономерности взаимодействия трехуровневой системы с двумя полями монохроматического светового излучения (применительно к МЛОН - поля накачки и генерации). Основное внимание в главе уделено теоретическому исследованию влияния вырождения уровней энергии системы по направ-лениям углового момента «7 на ее спектрально-оптические характеристики ( 2.2). С использованием аппарата квантовомеханической матрицы плотности выполнены аналитические расчеты коэффициента усиления (поглощения) в трехуровневой системе с д 4 0 при произвольных интенсивностях действующих на нее линейно поляризованных световых полей. Полученные результаты сравниваются с расчетами в рамках модели невырожденных уровней и используются в дальнейшем при построении теоретических моделей МЛОН.
- II -
Третья глава посвящена исследованию влияния нелинейных эффектов на выходные энергетические, спектральные и временные характеристики ШЮН, в котором верхний вращательный подуровень в канале накачки является одновременно верхним подуровнем в канале генерации. Применительно к импульсному vVH3 - МОИ подобного типа выполнен расчет зависимостей характеристик генерации от параметров активной среды, излучения накачки и резонатора. Показано, что эти зависимости в значительной степени могут быть обусловлены такими нелинейными эффектами, как полевое расщепление уровней и вынужденные двухфотонные переходы. Проанализировано влияние буферного газа и температуры активной среды на выходные характеристики данной системы. Рассмотрены эффекты самосвипирования и затягивания частоты генерации в импульсном MI0H. Результаты расчетов сопоставляются с имеющимися экспериментальными данными.
В четвертой главе диссертации приводятся результаты численного моделирования на ЭВМ генерации с 1 і 4,3 и 16 мкм в СС^-лазерах с комбинированной накачкой. При моделировании учтены нелинейные эффекты, возможные в системе, а также перекрытие соседних колебательно-вращательных линий при генерации в Q, -ветви и использованы уточненные данные относительно скоростей релакацион-ных процессов в системе нижних колебательных уровней молекулы С0.
В заключении сформулированы основные выводы из результатов проведенных в работе исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем.
- Выполнен детальный расчет выходных энергетических, спектральных, временных и пороговых характеристик >/Н3 - МОИ для широкого диапазона параметров активной среды, излучения накачки, резонатора, а также расчет максимально возможных значений усиления для различных линий генерации. Полученные результаты позволяют с единых позиций интерпретировать накопленный к настоящему времени
по чЛ/Нз ~ МЖЖ опытный материал и дать ряд рекомендаций по оптимизации параметров лазерной системы.
Показана возможность получения генерации в колебательной полосе 0- фосфина ( PHg ) при его оптической накачке излучением СО2 - лазера.
Выполнен анализ влияния на выходные параметры МДОН нелинейных эффектов, обусловленных совместным действием на систему двух полей монохроматического излучения, связанных через общий вращательный подуровень. Показано, в частности, что они приводят к существованию оптимальной интенсивности накачки, для которой энергия и мощность генерации МОИ достигают при заданном давлении активной среды наибольшего значения. Существует также отличное от нуля оптимальное значение частотной отстройки излучения накачки от центра возбуждаемого колебательно-вращательного перехода. Эти же нелинейные явления, согласно расчетам, могут вызывать самосвшш-рование и изменение направления затягивания частоты генерации во времени в импульсных МОИ.
Проанализировано влияние вырождения уровней энергии на спектрально-оптические характеристики трехуровневой системы, взаимодействующей с двумя линейно поляризованными монохроматическими световыми полями. Задача решена при произвольном взаимном расположении уровней энергии и произвольных интенсивностях обоих полей. Определены границы применимости приближения невырожденных уровней при двойном оптическом резонансе.
Определены условия, необходимые для достижения высокого энергосъема генерации с % ^ 4,3 мкм в COg - лазерах с комбинированной накачкой. Показана возможность генерации в полосе
020 - 01 0 (16 мкм) в COg - лазере с комбинированной накачкой без охлаждения активной среды, а также возможность плавной перестройки частоты генерации в данной системе в диапазоне 616 -
- ІЗ -
618 см"1.
На защиту выносятся:
Результаты теоретического исследования закономерностей формирования усиления, температурной зависимости усиления и энергосъема в МІ0Н на молекулах группы симметрии С$ъ-.
Результаты теоретического исследования спектрально-оптических характеристик трехуровневой системы с отличным от нуля угловым моментом.
Результаты исследования влияния нелинейных эффектов, вызванных совместным действием полей накачки и генерации, на выходные характеристики МОН и расчета зависимостей выходных характеристик от параметров активной среды, накачки и резонатора.
Основные результаты исследований докладывались и обсуздались на конференциях молодых ученых по физике (Гродно, 1978 г., Мозырь, 1980 г., Ленинград, 1982 г., Новосибирск, 1983 г., Паланга, 1983 г.), X Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Киев, 1980 г.), П Международной конференции по многофотонным процессам (Будапешт, 1980 г.) и опубликованы в работах /115, 157, 173, 174, 186, 200, 201, 215/.
Похожие диссертации на Теоретическое исследование свойств импульсных молекулярных лазеров среднего ИК диапазона с резонансной оптической накачкой
